Environmental thermal loads such as vertical and lateral temperature gradients are significant factors that must be taken into account when designing the bridge. Different models have been developed and used by countries for simulating thermal gradients in bridge codes. In most of the codes only vertical temperature gradients are considered, such as Iranian Standard Loads for Bridge code (ISLB), which only considers the vertical gradient for bridge design proposes. On the other hand, the vertical gradient profile specified in ISLB, has many lacks due to the diversity of climate in Iran, and only one vertical gradient profile is defined for whole Iran. This paper aims to get the both vertical and lateral gradient loads for the concrete box girder using experimental analysis in the capital of Iran, Tehran. To fulfill this aim, thermocouples are installed in experimental concrete segment and temperatures in different location of the segment are recorded. A three dimensional finite element model of concrete box-girder bridge is constructed to study the effects of thermal loads. Results of investigation proved that the effects of thermal loads are not negligible, and must be considered in design processes. Moreover, a solution for reducing the negative effects of thermal gradients in bridges is proposed. Results of the simulation show that using one layer polyurethane insulation can significantly reduce the thermal gradients and thermal stresses.
In this work, thermoelastic dynamic behavior of functionally graded carbon nanotube reinforced composite (FG-CNTRC) cylinders subjected to mechanical pressure loads, uniform temperature environment or thermal gradient loads is investigated by a mesh-free method. The material properties and thermal stress wave propagation of the nanocomposite cylinders are derived after solving of the transient thermal equation and obtaining of the time history of temperature field of the cylinders. The nanocomposite cylinders are made of a polymer matrix and wavy single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). The volume fraction of carbon nanotubes (CNTs) are assumed variable along the radial direction of the axisymmetric cylinder. Also, material properties of the polymer and CNT are assumed temperature-dependent and mechanical properties of the nanocomposite are estimated by a micro mechanical model in volume fraction form. In the mesh-free analysis, moving least squares shape functions are used to approximate temperature and displacement fields in the weak form of motion equation and transient thermal equation, respectively. Also, transformation method is used to impose their essential boundary conditions. Effects of waviness, volume fraction and distribution pattern of CNT, temperature of environment and direction of thermal gradient loads are investigated on the thermoelastic dynamic behavior of FG-CNTRC cylinders.
Asrari, Reza;Ebrahimi, Farzad;Kheirikhah, Mohammad Mahdi
Structural Engineering and Mechanics
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v.75
no.6
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pp.659-674
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2020
The present paper employs nonlocal strain gradient theory (NSGT) to study buckling behavior of functionally graded magneto-electro-thermo-elastic (FG-METE) nanoshells under various physical fields. NSGT modeling of the nanoshell contains two size parameters, one related to nonlocal stress field and another related to strain gradients. It is considered that mechanical, thermal, electrical and magnetic loads are exerted to the nanoshell. Temperature field has uniform and linear variation in nanoshell thickness. According to a power-law function, piezo-magnetic, thermal and mechanical properties of the nanoshell are considered to be graded in thickness direction. Five coupled governing equations have been obtained by using Hamilton's principle and then solved implementing Galerkin's method. Influences of temperature field, electric voltage, magnetic potential, nonlocality, strain gradient parameter and FG material exponent on buckling loads of the FG-METE nanoshell have been studied in detail.
According to a generalized nonlocal strain gradient theory (NSGT), dynamic modeling and free vibrational analysis of nanoporous inhomogeneous nanoplates is presented. The present model incorporates two scale coefficients to examine vibration behavior of nanoplates much accurately. Porosity-dependent material properties of the nanoplate are defined via a modified power-law function. The nanoplate is resting on a viscoelastic substrate and is subjected to hygro-thermal environment and in-plane linearly varying mechanical loads. The governing equations and related classical and non-classical boundary conditions are derived based on Hamilton's principle. These equations are solved for hinged nanoplates via Galerkin's method. Obtained results show the importance of hygro-thermal loading, viscoelastic medium, in-plane bending load, gradient index, nonlocal parameter, strain gradient parameter and porosities on vibrational characteristics of size-dependent FG nanoplates.
Ismail Esen;Mashhour A. Alazwari;Khalid H. Almitani;Mohamed A Eltaher;A. Abdelrahman
Advances in nano research
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v.14
no.5
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pp.475-493
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2023
In the context of nonclassical nonlocal strain gradient elasticity, this article studies the free and forced responses of functionally graded material (FGM) porous nanoplates exposed to thermal and magnetic fields under a moving load. The developed mathematical model includes shear deformation, size-scale, miscorstructure influences in the framework of higher order shear deformation theory (HSDT) and nonlocal strain gradient theory (NSGT), respectively. To explore the porosity effect, the study considers four different porosity models across the thickness: uniform, symmetrical, asymmetric bottom, and asymmetric top distributions. The system of quations of motion of the FGM porous nanoplate, including the effects of thermal load, Lorentz force, due to the magnetic field and moving load, are derived using the Hamilton's principle, and then solved analytically by employing the Navier method. For the free and forced responses of the nanoplate, the effects of nonlocal elasticity, strain gradient elasticity, temperature rise, magnetic field intensity, porosity volume fraction, and porosity distribution are analyzed. It is found that the forced vibrations of FGM porous nanoplates under thermal and live loads can be damped by applying a directed magnetic field.
Shariati, Ali;Ebrahimi, Farzad;Karimiasl, Mahsa;Vinyas, M.;Toghroli, Ali
Advances in nano research
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v.8
no.1
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pp.49-58
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2020
This paper investigates the vibration characteristics of flexoelectric nanobeams resting on viscoelastic foundation and subjected to magneto-electro-viscoelastic-hygro-thermal (MEVHT) loading. In this regard, the Nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET) is employed. The proposed formulation accommodates the nonlocal stress and strain gradient parameter along with the flexoelectric coefficient to accurately predict the frequencies. Further, with the aid of Hamilton's principle the governing differential equations are derived which are then solved through Galerkin-based approach. The variation of the natural frequency of MEVHT nanobeams under the influence of various parameters such as the nonlocal strain gradient parameter, different field loads, power-law exponent and slenderness ratio are also investigated.
Thermal loads, especially thermal gradients, have a considerable effect on the behaviors of large-scale bridges throughout their lifecycles. Bridge design specifications provide minimal guidance regarding thermal gradients for simple bridge girders and do not consider transversal thermal gradients in wide girder cross-sections. This paper investigates the three-dimensional thermal gradients of arch bridge girders by integrating long-term field monitoring data recorded by a structural health monitoring system, with emphasis on the vertical and transversal thermal gradients of wide concrete-steel composite girders. Based on field monitoring data for one year, the time-dependent characteristics of temperature and three-dimensional thermal gradients in girder cross-sections are explored. A statistical analysis of thermal gradients is conducted, and the probability density functions of transversal and vertical thermal gradients are estimated. The extreme thermal gradients are predicted with a specific return period by employing an extreme value analysis, and the profiles of the vertical thermal gradient are established for bridge design. The transversal and vertical thermal gradients are developed to help engineers understand the thermal behaviors of concrete-steel composite girders during their service periods.
In this article the frequency response of magneto-flexo-electric rotary porous (MFERP) nanobeams subjected to thermal loads has been investigated through nonlocal strain gradient elasticity theory. A quasi-3D beam model beam theory is used for the expositions of the displacement components. With the aid of Hamilton's principle, the governing equations of MFERP nanobeams are obtained. Further, administrating an analytical solution the frequency problem of MFERP nanobeams are solved. In addition the numerical examples are also provided to evaluate the effect of nonlocal strain gradient parameter, hygro thermo environment, flexoelectric effect, in-plane magnet field, volume fraction of porosity and angular velocity on the dimensionless eigen frequency.
Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad;Arani, M.R. Ghorbanpour
Structural Engineering and Mechanics
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v.69
no.4
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pp.439-455
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2019
This research deals with thermo-electro-mechanical buckling analysis of the sandwich nano-beams with face-sheets made of functionally graded carbon nano-tubes reinforcement composite (FG-CNTRC) based on the nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET) considering various higher-order shear deformation beam theories (HSDBT). The sandwich nano-beam with FG-CNTRC face-sheets is subjected to thermal and electrical loads while is resting on Pasternak's foundation. It is assumed that the material properties of the face-sheets change continuously along the thickness direction according to different patterns for CNTs distribution. In order to include coupling of strain and electrical field in equation of motion, the nonlocal non-classical nano-beam model contains piezoelectric effect. The governing equations of motion are derived using Hamilton principle based on HSDBTs and NSGET. The differential quadrature method (DQM) is used to calculate the mechanical buckling loads of sandwich nano-beam as well as critical voltage and temperature rising. After verification with validated reference, comprehensive numerical results are presented to investigate the influence of important parameters such as various HSDBTs, length scale parameter (strain gradient parameter), the nonlocal parameter, the CNTs volume fraction, Pasternak's foundation coefficients, various boundary conditions, the CNTs efficiency parameter and geometric dimensions on the buckling behaviors of FG sandwich nano-beam. The numerical results indicate that, the amounts of the mechanical critical load calculated by PSDBT and TSDBT approximately have same values as well as ESDBT and ASDBT. Also, it is worthy noted that buckling load calculated by aforementioned theories is nearly smaller than buckling load estimated by FSDBT. Also, similar aforementioned structure is used to building the nano/micro oscillators.
Reliability-based design limit states and associated partial load factors provide a consistent level of design safety across bridge types and members. However, limit states in the current AASHTO LRFD have not been developed explicitly for the situation encountered by integral abutment bridges (IABs) that have unique boundary conditions and loads with inherent uncertainties. Therefore, new reliability-based limit states for IABs considering the variability of the abutment support conditions and thermal loading must be developed to achieve IAB designs that achieve the same safety level as other bridge designs. Prestressed concrete girder bridges are considered in this study and are subjected to concrete time-dependent effects (creep and shrinkage), backfill pressure, temperature fluctuation and temperature gradient. Based on the previously established database for bridge loads and resistances, reliability analyses are performed. The IAB limit states proposed herein are intended to supplement current AASHTO LRFD limit states as specified in AASHTO LRFD Table 3.4.1-1.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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